不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究.pdf

第 40 卷第 10 期煤炭学报Vol40No10 2015 年10 月 JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct2015 林健， 王洋， 杨景贺， 等不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究 J 煤炭学报， 2015， 40 10 23132319doi 10 13225/jcnkijccs20156001 Lin Jian， Wang Yang， Yang Jinghe， et alSimulation studies on stress field evolution of roadway excavation under different confining pres- sures J Journal of China Coal Society， 2015， 40 10 23132319doi 1013225/jcnkijccs20156001 不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究 林健 1， 2 ， 王 洋 1， 2， 杨景贺1， 2， 王正胜1， 2， 蔡嘉芳1， 2 1天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京100013; 2煤炭科学研究总院 开采设计研究分院， 北京100013 摘要 在实验室利用自制模具对模型边界进行约束， 采用微机控制电液伺服万能试验机进行加 载， 采取卸除前约束板模拟煤矿井下煤层巷道开挖， 得出了不同应力煤层开挖前后轴向应力变化特 征， 探讨了低应力、 中等应力、 高应力条件下巷道围岩开挖前后的应力场变化特征。研究结果表明 在低应力条件下， 模型开挖造成应力的重新分布， 在开挖面附近形成拉应力区， 但模型内应力值较 小， 整体处于弹性状态， 围岩抗开挖扰动能力较强; 在中等应力条件下， 模型开挖造成围岩浅部拉应 力区进一步加大， 岩体接近或达到屈服状态， 围岩受开挖扰动比较强烈， 开挖后应力场开始呈现 “拉压拉” 交替现象; 在高应力条件下， 围岩出现明显的塑性破坏， 模型内部整体处于受拉状 态。受到开挖扰动， 围岩表面迅速恢复到受压状态， 并再次向深部转移， 形成明显的动态“拉 压拉压” 交替现象， 围岩破坏深度大、 抗扰动能力差， 呈现深部开采特征。 关键词 巷道; 开挖; 应力场; 演化规律 中图分类号 TD322文献标志码 A 文章编号 02539993 2015 10231307 收稿日期 20150815责任编辑 韩晋平 基金项目 国家自然科学基金资助项目 U1261211 ; 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK04B06 ; 中国煤炭科工集团创新基金资助项目 2013MS010 作者简介 林健 1969 ， 男， 山东曹县人， 研究员， 硕士生导师。Tel 01084264127， Email linjian_w 163com Simulation studies on stress field evolution of roadway excavation under different confining pressures LIN Jian1， 2， WANG Yang1， 2， YANG Jing- he1， 2， WANG Zheng- sheng1， 2， CAI Jia- fang1， 2 1Coal Mining and Designing Department， Tiandi Science and Technology Co， Ltd， Beijing100013， China; 2Coal Mining and Designing Branch， China Coal esearch Institute， Beijing100013， China Abstract A model of mine roadway was constrained on the boundary by home- made mold， loaded by microcomputer control electro- hydraulic servo universal testing machine in laboratoryThus the coal mime roadway excavation was sim- ulated by unloading the front constraint plate of modelThe variation characteristics of axial stress before and after the excavation of coal seam with different stresses were obtained， and also the roadway surrounding rock stress field varia- tion characteristics before and after excavation under low， secondary and high stress conditions were discussedThe re- sults showed that the tensile stress area near the excavation plane was ed under low stress condition， but the inter- nal stress values were small， the whole surrounding rock was in elastic state， the resistance ability of surrounding rock to excavation disturbance was strongUnder the condition of secondary stress， the tensile stress area of surrounding rock in the shallow further expanded， which was caused by model excavation， rock mass reached yield status and the exca- vation disturbance of surrounding rock was strong， the stress field after excavation began to present pull- pressure- pullalternate phenomenonUnder the high stress condition， the surrounding rock obviously appeared as plastic and the rock mass within the model all appeared in a state of tensionBy excavation disturbance， the surrounding rock sur- 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 face rapid returned to compression state and moved to deep again， ing obviouspull- pressure- pull- pressuredy- namic alternation phenomenon， damage depth of surrounding rock was larger， the ability to resist disturbance was poor， appeared deep mining characteristics Key words roadway; excavating; stress fields; evolution 煤矿井下巷道的开挖是一个卸荷的过程， 也就是 煤岩体应力的释放过程。开挖煤岩体应力的释放导 致围岩内部应力重新调整， 致使原始应力场发生很大 变化， 甚至在局部出现拉应力。煤岩体的卸载变形和 应力场变化特征与加载条件下的变形和应力场变化 特征存在明显不同。因此， 研究煤矿井下巷道开挖条 件下的应力场变化及变形特征比常规加载试验更接 近现场实际工况， 对指导巷道设计和施工具有更重要 的意义。 我国学者从 20 世纪末开始对卸荷岩体性质进行 系统研究。卸荷岩体力学的概念是由哈秋舲教授首 先提出的。在后续的研究中， 李建林及其合作者 15 对卸荷岩体的工程特点、 各向异性、 尺寸效应、 流变特 征、 破坏准则等进行了详细研究。周小平等 6 根据 损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全 过程应力应变关系， 并发现岩石卸荷破坏所需要的 应力比连续加载破坏时小， 且卸荷破坏时的变形比连 续加载时大。赵明阶等 7 基于压剪裂纹模型， 推导 了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形， 建立了一种 岩石三轴卸荷的本构模型。沈军辉等 8 在岩石试件 卸荷试验的基础上， 研究了岩体在卸荷状态下的变形 破裂特征， 即岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷 方向的强烈扩容， 其破裂以张性破裂为特征， 并存有 张剪性和剪性破裂; 同时卸荷岩体的变形破裂程度及 方式受岩体结构的控制。陈忠辉等 9 利用连续介质 损伤力学方法， 建立了一个简明的岩石三维各向同性 损伤模型及弹脆性本构方程。段金林等 10 介绍了地 下洞室围岩稳定性分析的传统理论及卸荷分析方法， 在此基础上论述了卸荷拱理论。张晓君、 靖洪文 11 运用 FPA 分别对有、 无裂纹情况下的高应力巷道开 挖围岩损伤过程进行了分析， 表明高应力巷道围岩卸 荷破坏是个损伤逐渐累积最终演致破坏的过程。张 黎明等 12 对闪长岩试样进行了加轴压卸围压试验， 研究了卸荷条件下闪长岩的变形和破裂特征。黄达 和黄润秋通过裂隙岩体物理模型试验， 研究 2 种卸荷 应力路径下裂隙岩体的强度、 变形及破坏特征， 并探 讨裂隙的扩展演化过程和力学机制13 。殷志强 等 14 利用改造后的动静组合加载 SHPB 装置， 系统 研究砂岩预先经三维加载再围压卸载的动静组合 加载的破坏特性。姜伟等 15 采用自行设计的巷道卸 荷试验装置和试验方法， 模拟巷道突然开挖卸荷后周 边围岩裂纹的扩展状况。经检索国外鲜有围岩开挖 引起应力场变化的相似模拟研究的相关报道。 笔者采用相似模拟手段对不同围压条件下巷道 掘进工作面开挖前后围岩轴向应力场变化进行系统 研究， 分析开挖面附近应力分布特征， 为巷道支护理 论和设计提供依据。 1试验设计 1. 1相似模型设计 试验采用 JAW1500 kN 型微机控制电液伺服万 能试验机加载。受试验机最大试验力和尺寸限制， 模 型尺寸取 300 mm300 mm300 mm， 几何相似 CL比 为 1 6， 容重相似比 C为 1， 强度相似比 CE为 1 6， 应力相似比为 C为 1 6， 力相似比 CF为 1 216。 试验设计模拟中硬煤层应力分布状态， 原型强度 选定为 2030 MPa， 根据模型强度相似比， 模型强度 应为 3. 35. 0 MPa。试验选用水泥砂浆作为相似模 拟材料， 试验前通过水泥砂浆配比试验选定配比为水 泥 河砂 1. 5 8. 5， 试块 28 d 单轴抗压强度平均 为 3. 75 MPa。 1. 2模型制作 由于应变片在湿水泥砂浆内无法有效粘贴， 同时 湿水泥砂浆和填筑振捣会损坏应变片， 因此本试验制 模采用上下分块振捣法制模。在同一模具内制制作 两块 长 300 mm 宽 300 mm 高 150 mm 试块， 先制作下分块， 块体达到初凝后制作上分块， 在模型 养护完成后布设应变片， 最后采用树脂胶黏剂把两分 块黏合成一体。 1. 3边界条件设计 试验通过自制模具对模型进行约束， 通过卸除前 约束板模拟围岩开挖。模具由 6 块厚钢板组成， 上下 2 个厚钢板为加载板， 与压力机上下加载板直接接 触; 前、 后、 左、 右 4 块厚钢板通过 M24 mm 高强度螺 杆连接; 左右两侧钢板后方设 5 mm 深限位槽限制后 板移动， 使后板与左、 右钢板在卸除前板约束时形成 准刚性约束; 前板通过松开 M24 mm 螺杆可拆卸， 用 于模拟开挖。试验中先将模型与模具在试验机上组 装完毕加载至设计载荷， 使模型处于三向应力状态， 保压 15 min 后卸除前板， 使模型产生一个自由面。 4132 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期林健等 不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究 通过人工控制加载实现对边界条件的模拟过程， 如图 1 所示。 图 1试验加载开挖示意 Fig. 1Loading and unloading in test 1. 4加载方式 试验中模型的受力为单向加载、 双向约束的伪三 轴加载方式。试验采用横向加载， 应变片布置面平行 于加载面， 如图 2 所示。加载方式采用 3 个不同的加 载等级 100， 300 和 500 kN， 分别对应 1. 1， 3. 3， 5. 5 MPa 应力级别， 相当于实际现场 6. 6， 19. 8， 33. 0 MPa 的应力。 图 2加载方式示意 Fig. 2Loading way 1. 5数据采集系统设计 试验数据采集系统主要分为 2 部分， 分别为应力 测量系统和表面位移测量系统。 1 应力数据测量。 对模型内应力的测量， 主要测量模型轴向应力。 本试验采用丝绕式纸基 SZ1203AA 型电阻应变片进 行应力测量， 该应变片具有灵敏度高、 横向变形小和 适应性强等优点， 栅长 3 mm， 栅宽 2 mm， 电阻为 120 。应变片分 3 排布置， 分别距模型中心线 20， 70， 120 mm， 共布设 21 个测点。应变片通过 60P 型 排线与 YJZA32 型智能静态电阻应变仪相连， 构成 模型应力采集系统， 如图 3 所示。 图 3模型内部应变片布置示意 Fig. 3Strain gauge layout in module 2 位移采集系统。 位移采集系统主要测量模型前端面在开挖前后 位移变化。该系统由拉线电阻式位移传感器和应变 仪构成。位移传感器采用 YHD100 型位移传感器， 量程 100 mm， k 20010 6 mm 1 ， 半桥接法; 数据采 集使用 YJZA16 型智能静态电阻应变仪。 2模型加载开挖轴向应力场变化特征 本文所有模型应力云图均采用 Origin 数据分析 和绘图软件绘制而成。 2. 1100 kN 加载级别 100 kN 加载级别横向加载开挖轴向应力变化 曲线如图 4 a 所示， 模型开挖前后轴向应力分布云 图如图 5 a 所示。图 4， 5 中正值为拉应力， 负值为 压应力。受边界条件影响， 模型轴向应力场分为中 部正常区域和两侧约束扰动区域， 在此主要分析正 常区域应力场规律。模型加载后， 中部明显分为 3 个区域 前部拉应力区、 中前部压应力区和后部拉 应力区。 开挖后， 前部拉应力区范围基本无太大变化， 保 持在 80 mm， 但拉应力值有较明显增加， 特别是浅部。 说明开挖后模型表面材料并没有屈服或破坏， 模型前 1/4 区域呈现纵向扩张变形， 具有向自由面移动趋 势。随着深度增加变形量逐渐减小， 轴向 80 mm 位 置为 变 形 中 性 面，浅 部 向 自 由 面 变 形 总 量 为 0. 37 mm; 中前部压应力区范围有所缩小， 但压应力 峰值并没有明显变化， 仍保持在 0. 2 MPa; 后部拉应 力区明显增加， 拉应力值也明显增加， 但未出现模型 材料屈服或破坏现象。模型表面位移曲线如图 6 a 5132 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 图 4100， 300 和 500 kN 加载级别开挖前后轴向应力变化曲线 Fig. 4Axial stress change curves of 100， 300 and 500 kN load level under lateral loading and excavation 图 5100， 300 和 500 kN 加载级别开挖前后轴向应力分布云图 Fig. 5Stress distribution nephogram of 100， 300 and 500 kN load level after lateral loading and excavation 6132 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期林健等 不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究 图 6100， 300 kN 加载级别模型开挖前后表面位移曲线 Fig. 6Surface displacement curves of 100， 300 kN load level before and after excavation 所示， 开挖后模型大部分区域出现纵向扩张变形， 模 型整体向自由面移动， 但位移量较小， 模型中部位移 量要大于两侧， 表面位移整体呈弯曲变形形态。 在低应力条件下， 煤岩体的开挖造成应力的重新 分布， 在开挖面附近形成拉应力区， 在较深区域形成 压应力峰值区， 在更深处应处于原岩应力区。但由于 受边界条件的影响， 本模型在后边界附近形成较大的 拉应力区。 2. 2300 kN 加载级别 300 kN 加载级别横向加载开挖轴向应力变化 曲线如图 4 b 所示， 开挖前后轴向应力分布如图 5 b 所示。模型加载后， 在模型中部从前向后依次 形成 5 个区域 前部拉应力区、 中前部压应力集中区、 中后部压应力集中区、 后部拉应力区和后部压应力 区。后部拉应力区的形成主要是受后部边界约束的 影响形成的， 在此不作讨论。前部拉应力区的轴向分 布深度为 85 mm， 拉应力值在前部边界处最大， 达 0. 6 MPa; 随着轴向深度的增加， 拉应力值逐渐减小， 直至零应力。从拉应力值可以分析得到， 模型前部边 界材料虽然受较大的拉应力， 但并没有屈服或破坏， 仍具有较高的承载能力; 在轴向 85150 mm， 形成了 压应 力 集 中 区，横 向 中 部 最 大 压 应 力 值 达 到 0. 2 MPa， 在横向两侧最大达到 1. 5 MPa， 并且该压应 力集中区有被前部拉应力区包围的趋势， 体现出模型 前部有被整体推出的趋势; 中后部压应力区由于受到 后部边界约束条件的影响， 在压应力区的中后部出现 了小范围的拉应力区。 开挖后， 模型应力发生明显变化。前部拉应力区 范围有所减小， 拉应力值急剧增大。在前部开挖面附 近拉应力值达到了 0. 75 MPa， 并且随着轴向深度的 增加， 拉应力值下降幅度不大， 但至轴向深度 70 mm 处出现急剧降低的趋势， 至 90 mm 处降低为零应力; 中前部压应力区范围在轴向变化不大， 但在横向上范 围有所扩大， 并且压应力值显著升高， 中部达到 0. 7 MPa， 两侧达到了 1. 75 MPa 左右， 周围的拉应力 区也大部分转化为压应力区。后部压应力区范围和 峰值变化不大， 只是拉应力区向后部边界转移。 300 kN 加载级别模型开挖后表面位移曲线如图 6 b 所示， 开挖后模型表面位移呈弯曲变形形态， 变 形量 明 显 大 于 100 kN 加 载 级 别 的 变 形 量， 为 0. 1 mm。 该模型应力状态相当于中等应力条件下巷道围 岩开挖， 围岩浅部拉应力区进一步加大， 接近或达到 了岩体屈服强度。无论拉应力还是压应力均比 100 kN 加载级别明显增大， 出现了浅部围岩整体向 自由面移动的趋势。 2. 3500 kN 加载级别 500 kN 加载级别横向加载开挖轴向应力变化 曲线如图 4 c 所示， 开挖前后轴向应力分布如图 5 c 所示。模型加载后， 在模型中部从前向后依次 形成 2 个区域 前部压应力区、 后部拉应力区。前部 压应力区形状呈反漏斗状， 轴向深度达到 150 mm。 压应力区范围大， 压应力值两侧高、 中部低， 两侧最大 压应力达到了 1. 25 MPa， 中间表面附近压应力趋于 零， 随着轴向深度的增加最大达到 0. 02 MPa; 后部拉 应力区的拉应力值远大于前部压应力区， 并且在 190 mm 处拉应力峰值达到了 2 MPa， 随后向后约束 板方向呈明显下降趋势， 至后约束面附近拉应力降低 至接近零。 开挖后， 应力分布出现明显变化， 前部压应力区 范围进一步缩小、 前移， 并且压应力值整体急剧降低， 局部转化为拉应力状态， 原来的压应力出现了压 拉压相互交错现象。最大压应力值出现在前部模 型表面两侧附近， 最大压应力值为 0. 75 MPa。后部 拉应力区范围大大增加， 但拉应力峰值点位置基本未 变， 仍在 190 mm 位置处， 但拉应力峰值有所增加， 达 到了 2. 5 MPa。在后约束面附近拉应力区向横向两 侧大面积扩展。 7132 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 该模型应力状态相当于高应力条件下巷道围岩 开挖。在高应力作用下， 围岩出现明显的塑性破坏， 并不断向深部发展。但由于围压的存在， 围岩浅部在 拉应力作用下发生一定的弹塑性变形后逐步处于低 受压状态， 而深部却受到较大的拉应力作用。开挖 后， 由于受到开挖扰动， 围岩表面迅速恢复到受拉状 态， 并再次向深部转移， 形成压拉压的现象。从 试验可以看出， 在高应力条件下围岩破坏深度大、 抗 扰动能力差， 在围岩浅部可形成拉压拉压多层 应力分布现象。 3存在的问题及改进建议 1模型制作过程由于相似材料的微量收缩及 模型两分块黏合层厚度不均， 造成模型与试验模具局 部不能充分接触形成局部应力集中现象。为使模型 在试验中均布受载， 下一步需要设计与模具配套的消 除应力集中和偏载的装置。 2试验选用滑线电阻式位移计测量位移， 由于 受模型尺寸及位移计安装方式所限， 需要在约束板上 开矩形槽， 这样会引起模型前端面局部应力集中， 同 时这种位移计测点较少， 不能完全测出模型表面整体 变形特征。因此， 今后试验中建议采用激光测距方 式。 4结论 1采用自制模具对模型边界进行约束、 微机控 制电液伺服万能试验机进行加载的单向加载、 双向约 束的伪三轴加载方式， 模拟煤矿井下煤层巷道开挖， 得出了不同应力煤层开挖前后轴向应力变化特征， 探 讨了低应力、 中等应力、 高应力条件下巷道围岩开挖 前后的应力变化与破坏发展规律。 2在低应力条件下， 模型开挖造成应力的重新 分布， 在开挖面附近形成拉应力区， 在较深区域形成 压应力区， 但模型内应力值较小， 围岩整体处于弹性 状态， 没有出现屈服和破坏现象， 煤体的变形主要以 弹性变形为主。 3在中等应力条件下， 模型开挖造成围岩浅部 拉应力区进一步加大， 岩体接近或达到了屈服强度。 无论拉应力还是压应力均比低应力条件下明显增大， 出现了浅部围岩整体向自由面移动的趋势。围岩受 开挖扰动比较强烈， 开挖后应力场开始出现“拉 压拉” 交替现象， 围岩处于深浅部临界状态。 4在高应力条件下， 围岩出现明显的塑性破 坏， 模型整体处于受拉状态。但由于围压的存在， 围 岩浅部在拉应力作用下发生一定的弹塑性变形后逐 步处于低受压状态， 而深部却受到较大的拉应力作 用。开挖后， 由于受到开挖扰动， 围岩表面迅速恢复 到受拉状态， 并再次向深部转移， 明显形成“压 拉压” 交替现象。从试验可以看出， 在高应力条件 下围岩破坏深度大、 抗扰动能力差， 呈现深部开采特 征。 参考文献 1李建林卸荷岩体力学M北京 中国水利水电出版社， 2003 2李建林， 孟庆义卸荷岩体的各向异性研究J岩石力学与工程 学报， 2001， 20 3 338341 Li Jianlin， Meng QingyiAnisotropic study of unload rock massJ Chinese Journal of ock Mechanics and Engineering， 2001， 20 3 338341 3李建林， 王乐华卸荷岩体的尺寸效应研究J岩石力学与工程 学报， 2003， 22 12 20322036 Lin Jianlin， Wang LehuaStudy on size effect of unloaded rock mass J Chinese Journal of ock Mechanics and Engineering， 2003， 22 12 20322036 4周济芳， 杨学堂， 李建林， 等卸荷岩体宏观力学参数的分析方 法再研究J三峡大学学报 自然科学版 ， 2005， 27 1 37 39 Zhou Jifang， Yang Xuetang， Li Jianlin， et al A further research on macroscopical mechanical parameters of unloading rockJJour- nal of China Three Gorges University Natural Sciences ， 2005， 27 1 3739 5周济芳， 李建林， 陈兴周卸荷岩体力学特性研究的试验条件 J三峡大学学报 自然科学版 ， 2004， 26 6 514516 Zhou Jifang， Li Jianlin， Chen XingzhouExperimental conditions for researching mechanical characteristics of unloading rock JJournal of China Three Gorges University Natural Sciences ， 2004， 26 6 514516 6周小平， 哈秋聆， 张永兴， 等峰前围压卸荷条件下岩石的应力 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分， 工业技术 40 篇、 医药卫生 26 篇、 基础科学 23 篇、 农林牧渔 10 篇、 管理及其他 1 篇。 “中国百篇最具影响国内学术论文” 评选活动影响巨大， 各单位更是将其视为代表科研实力的重要荣誉。 煤炭学报 在 2014 年度有 2 篇论文入选， 充分说明了煤炭学报 刊出的论文水平之高、 影响力之大。在此， 编辑部向 2 篇论文的作者表示祝贺和感谢。 9132 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et